趙文祥，嚴世榕

(福州大學機械工程及自動化學院，福建福州350108)

裝載機是集機械、液壓和電子控制技術于一體的非線性復雜系統(tǒng)，具有機動性好、作業(yè)速度快、操作輕便等優(yōu)點，被廣泛應用于工程和城市建設場所。裝載機的工作裝置是一個典型的機液耦合系統(tǒng)，其作業(yè)過程動態(tài)特性直接影響到作業(yè)效率、操縱性能和零部件的使用壽命［1］。因此，為了提高裝載機工作裝置的動態(tài)特性，許多學者進行了相關研究。

目前要對裝載機工作裝置進行研究，可以參考的設計仿真方法有:(1)運用ADAMS軟件建立裝載機工作裝置虛擬樣機模型［2－3］，進行動力學仿真計算，設計工作裝置機械機構，但該種方法不能解決液壓系統(tǒng)的設計問題，ADAMS軟件的某些版本雖具有液壓模塊，但對于復雜的液壓系統(tǒng)模型，不便進行建模和分析，比如文中所建負載敏感變量泵的變量機構;(2)利用AMESim和ADAMS等仿真軟件進行聯(lián)合仿真［4］，該方法可以較好地實現(xiàn)機液系統(tǒng)仿真計算，但由于AMESim模型輸出量的不連續(xù)性，容易導致ADAMS的求解器求解失敗，使得某些液壓模塊的使用受到限制［5］，并存在軟件間的單位、符號和求解精度的設置問題，對研究裝載機復雜控制系統(tǒng)也帶來了一定的不便。為了克服以上方法的不足，運用AMESim軟件自帶液壓元件庫、信號元件庫和平面機構庫聯(lián)合建模方法，對某公司生產(chǎn)的ZL10C型裝載機工作裝置的動態(tài)特性進行了研究。

1 裝載機工作裝置組成

該ZL10C型裝載機結構形式如圖1所示。

圖1 裝載機工作裝置組成

其工作裝置為翻轉六桿式機構，由鏟斗、動臂、搖臂、連桿、轉斗油缸和動臂油缸組成，依靠工作裝置裝載機可以進行散料裝載作業(yè)與短途運輸作業(yè)。其液壓系統(tǒng)工作原理如圖2所示，裝載機作業(yè)過程中，發(fā)動機帶動油泵轉動，為整個液壓系統(tǒng)提供液壓油，通過操縱換向閥閥桿控制閥芯移動，控制動臂液壓缸和轉斗液壓缸伸長或縮短，實現(xiàn)鏟斗所需動作。

圖2 工作裝置液壓系統(tǒng)原理圖

2 裝載機工作裝置建模與仿真

2.1 系統(tǒng)建模仿真原理

在仿真技術中，AMESim軟件為用戶提供了一個系統(tǒng)工程設計與分析的完整平臺，使用戶可以在單一平臺上建立復雜的機液耦合系統(tǒng)模型［6］，其建模仿真原理如圖3所示。根據(jù)仿真對象，在AMESim液壓元件庫和機構庫中選擇相應的元件，分別建立工作裝置的液壓系統(tǒng)和執(zhí)行機構，設置各項參數(shù)，采用控制信號控制液壓系統(tǒng)工作。仿真過程中，液壓系統(tǒng)向執(zhí)行機構輸出作用力，使執(zhí)行機構完成相應的動作，執(zhí)行機構將產(chǎn)生的位移、速度和加速度等運動參數(shù)反饋給液壓系統(tǒng)［7］，完成仿真計算。

圖3 AMESim仿真原理圖

2.2 負載分析與模擬

裝載機在插入和鏟裝過程中，插入阻力Fin和掘起阻力Fsh依次達到最大值［8］。選擇料堆高度為1 m的細粒河沙為鏟裝對象，由經(jīng)驗公式計算得到最大插入阻力為9 998.3 N，最大掘起阻力為6 700 N，物料重力Fg在鏟裝完成時達到最大值，這里取滿載工況，即物料重力為10 000 N，各構件的重力則不發(fā)生變化［8］。構件重力可以由系統(tǒng)自動加載，F(xiàn)in、Fsh和Fg則需要使用系統(tǒng)提供的Signal03和FXA001模塊模擬，圖4為仿真過程中負載模擬結果。

圖4 負載模擬曲線

2.3 系統(tǒng)仿真模型建立

圖5 輪式裝載機工作裝置系統(tǒng)仿真圖

裝載機工作裝置機液耦合仿真模型見圖5。其建立步驟為:構建裝載機工作裝置模型;指定 每個元件模塊的數(shù)學模型;設定模型的參數(shù);仿真計算與分析［9－10］。在草圖模式 (Sketch Mode)下建立液壓系統(tǒng)與液壓執(zhí)行機構仿真模型，其液壓系統(tǒng)由液壓缸、液壓閥、溢流閥、定量泵以及信號源和延時等模塊構成，這些模塊可以在基本液壓元件庫 (Hydraulic)與信號庫 (Signal)中選擇;液壓執(zhí)行機構仿真模型由轉斗、連桿、搖臂、動臂、轉斗油缸、舉升油缸等組成，相應模塊可以在平面機械庫 (Planner Mechanical)中選擇。各構件的重心和端口坐標均由工作裝置三維模型獲得。連接各模塊完成系統(tǒng)模型搭建，模型參數(shù)設置如表1所示。為了仿真計算方便，在不影響工作裝置動作的前提下，將動臂多路閥簡化為三位六通閥。

表1 仿真參數(shù)設置

2.4 仿真計算與結果分析

針對裝載機的典型作業(yè)過程，即插入、鏟裝、動臂舉升、卸料、動臂下降，進行一次循環(huán)作業(yè)仿真計算。在仿真計算過程中，設置仿真時間為16 s，采樣時間間隔為0.01 s，各仿真動作時長如表2所示，仿真模式選擇“Stabilizing+Dynamic”，進行仿真計算。

表2 各仿真動作時長 s

仿真完成之后，從AMESim中讀取結果，如圖6—9所示。

圖6 動臂油缸壓力曲線

圖7 轉斗油缸壓力曲線

圖8 溢流閥流量曲線

圖9 液壓缸缸桿加速度曲線

(1)插入階段(t=0～3 s)，在仿真開始時刻(t=0)，對系統(tǒng)進行了穩(wěn)態(tài)計算，由于工作機構自身重力存在，所以在動臂油缸與轉斗油缸產(chǎn)生一個初始壓力。裝載機鏟斗插入物料時液壓缸均封閉，由于插入阻力作用，油缸產(chǎn)生被動力，動臂油缸與轉斗油缸壓力在t=2.45 s時達到最大，分別為2.67和1.09 MPa。

(2)鏟裝階段 (t=3～4.5 s)。此階段動臂油缸封閉，轉斗油缸無桿腔進油，如圖6—7所示在鏟斗開始掘起時，動臂油缸無桿腔與轉斗油缸無桿腔均在3.3 s達到最大值，動臂油缸無桿腔壓力為3.01 MPa，隨后逐漸降低到2.44 MPa，轉斗油缸無桿腔壓力為4.8 MPa，隨后逐漸降低到1.81 MPa。在收斗達到極限時，鏟斗撞擊動臂，使動臂油缸無桿腔壓力上下波動，轉斗油缸無桿腔壓力迅速增加到雙穩(wěn)閥開啟壓力12 MPa，液壓油通過雙穩(wěn)閥直接流回油箱，造成功率溢流損失，如圖8所示。

(3)動臂舉升 (t=4.5～10 s)。舉升過程中動臂油缸無桿腔壓力逐漸增大，當舉升完成時壓力約為8.44 MPa，隨后迅速超過16 MPa，并產(chǎn)生一定的波動，此時系統(tǒng)主安全溢流閥開啟，對系統(tǒng)進行保護，液壓油通過溢流閥直接流回油箱，同樣造成了功率溢流損失，如圖8所示。

(4)鏟斗卸料 (t=10～12 s)。在卸料初始階段轉斗油缸有桿腔壓力大于無桿腔壓力，從t=10.5 s開始，鏟斗翻轉速度加快，物料重力迅速減小到0，如圖4所示。轉斗油缸和動臂油缸無桿腔壓力均迅速減小。卸料完成時，鏟斗撞擊限位塊，導致轉斗油缸產(chǎn)生壓力沖擊，其無桿腔壓力最大值達到7.03 MPa，如圖7所示。

(5)動臂下降 (t=12～16 s)。在此過程中動臂油缸有桿腔進油，動臂開始下降，由于此過程工作裝置的重力勢能逐漸轉換為動能，動臂快速下降，動臂油缸有、無桿腔的壓力均較小，并且壓力變化比較穩(wěn)定，如圖6所示。

由上述分析可知，在鏟裝和舉升完成時，液壓系統(tǒng)無法驅(qū)動負載，系統(tǒng)壓力快速升高，導致主安全閥打開，造成功率溢流損失。由圖9也可以看出，在t=3.9 s和t=8.2 s附近壓力快速升高使缸桿產(chǎn)生了較大的加速度。同樣，裝載機作業(yè)過程中復雜多變的工況，導致液壓系統(tǒng)負載變化頻繁，當外部負載過大以致液壓系統(tǒng)過載時，大多數(shù)操作人員很難做到準確判斷并快速關閉多路閥，這種情況下也會造成大量的功率損失。

這些能耗損失歸根到底是因為系統(tǒng)采用定量泵，定量泵輸出的流量和壓力不能夠隨著負載的變化自動調(diào)節(jié)，而產(chǎn)生的壓力和流量的過剩。為了解決這一問題，降低功率損失，在以上研究的基礎之上，用某公司生產(chǎn)的A10VSO系列負載敏感變量泵取代原ZL10C裝載機的定量泵。

3 工作裝置負載敏感系統(tǒng)建模與仿真

3.1 工作裝置負載敏感液壓系統(tǒng)

對ZL10C型裝載機采用A10VSO系列負載敏感變量泵改進后，其液壓系統(tǒng)結構簡圖如圖10所示。各多路閥出口壓力通過梭閥網(wǎng)絡比較，將最大負載壓力傳送到負載敏感泵變量機構。變量機構通過保持多路閥進出口壓力差為恒值 (A10VSO產(chǎn)品中標準設定壓差為1.4 MPa)，對變量泵進行控制，實現(xiàn)負載敏感變量泵可以根據(jù)負載需求，調(diào)節(jié)輸出的壓力和流量［11］。在待機空轉時，輸出壓力低，斜盤轉角小，近似處于零壓零流量狀態(tài)。在過載時輸出流量很低，僅能夠維持系統(tǒng)本身控制與泄漏需求。這樣液壓系統(tǒng)就可以避免溢流損失，提高液壓系統(tǒng)的效率。同時在壓力補償閥的作用下，可以實現(xiàn)動臂油缸和轉斗油缸同時動作，提高了工作裝置的操作特性。

圖10 負載敏感液壓系統(tǒng)原理圖

3.2 工作裝置負載敏感液壓系統(tǒng)建模

在AMESim軟件中，由于沒有負載敏感變量泵模塊，因此變量泵的變量機構需要運用液壓元件設計庫HCD(Hydraulic Component Design)建立。變量泵主體選用現(xiàn)有變量泵模型，建立的工作裝置系統(tǒng)仿真模型如圖11所示。為了更好地對比改進前后工作裝置性能的變化，除了變量泵模型外，其他參數(shù)設置與原工作裝置相同。

圖11 負載敏感液壓系統(tǒng)仿真圖

3.3 仿真計算與結果分析

圖12 多路閥輸入信號

各仿真動作時長設置同樣如表2所示，進行仿真計算。圖12為多路換向閥輸入信號，其中輸入信號值為1時表示多路換向閥全開。圖13為變量泵輸出流量曲線，由圖可知，在鏟裝和舉升完成時，變量泵輸出流量迅速減小，降低了系統(tǒng)溢流損失。圖14為負載敏感系統(tǒng)壓力曲線，由圖可知，負載敏感閥調(diào)節(jié)過程中，泵出口壓力與最高負載壓力差值基本保持在1.4 MPa左右，泵輸出壓力能夠較好跟隨負載壓力變化，降低了系統(tǒng)壓力損失。

圖13 變量泵輸出流量曲線

圖14 負載敏感系統(tǒng)壓力曲線

圖15是兩種不同液壓系統(tǒng)泵的輸出功率曲線，表3是作業(yè)過程中液壓系統(tǒng)能量消耗情況。分析可知，在插入階段多路閥關閉，負載敏感泵輸出的功率僅為0.038 kW，用來維持系統(tǒng)本身控制與泄漏需求。在鏟裝完成和到達最大舉升位置時，相比定量泵系統(tǒng)產(chǎn)生溢流損失，負載敏感泵輸出流量迅速減小，使輸出功率降低到1.21 kW。由表3數(shù)據(jù)可以得出:此次作業(yè)循環(huán)中，0～16 s內(nèi)定量泵液壓系統(tǒng)總能耗為123.4 kJ，平均每秒消耗7.71 kJ，而負載敏感液壓系統(tǒng)總能耗為60.2 kJ，平均每秒消耗3.77 kJ。所以負載敏感液壓系統(tǒng)能夠更好地適應負載流量和壓力的需求變化，明顯降低了液壓系統(tǒng)的能量損失。

圖15 液壓泵輸出功率曲線

表3 液壓系統(tǒng)能量消耗

4 結論

(1)在AMESim中建立了原裝載機工作裝置液壓系統(tǒng)和機械機構仿真模型，針對裝載機典型作業(yè)過程，對模型施加外部負載，完成了虛擬仿真計算。由仿真結果可知:裝載機在鏟裝過程中容易產(chǎn)生振動和壓力沖擊，對工作裝置產(chǎn)生一定的損傷，并造成大量的功率損失。

(2)為了減少裝載機作業(yè)過程中的功率溢流損失，對原工作裝置液壓系統(tǒng)進行了改進，設計了ZL10C型裝載機負載敏感液壓系統(tǒng)。通過結果對比分析，可以看出改進后的負載敏感液壓系統(tǒng)能夠較好地適應負載流量和壓力的需求變化，避免流量和壓力的過剩，從而降低系統(tǒng)的功率溢流損失，提高了系統(tǒng)的效率。

(3)將多學科領域復雜系統(tǒng)建模仿真軟件AMESim應用到工程機械領域，在AMESim單一平臺上實現(xiàn)了裝載機工作裝置機液耦合機構的聯(lián)合仿真。該研究方法對于類似機液耦合機構的設計、分析與優(yōu)化具有一定的參考意義。依靠其強大的優(yōu)越性，AMESim軟件將在機電液系統(tǒng)仿真領域得到廣泛應用。

【1】侯亮，潘勇軍，郭濤，等.裝載機八桿機構工作裝置多目標優(yōu)化與仿真［J］.中國工程機械學報，2009，7(3):258－264.

【2】寧曉斌，徐永進，王國彪，等.裝載機工作裝置機械－液壓耦合系統(tǒng)仿真［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2007，38(3):7－9.

【3】曹旭陽，王國彪，徐進永，等.基于機液耦合的裝載機工作裝置仿真與實驗研究［J］.中國工程機械學報，2008，6(1):28－32.

【4】謝地，權龍.基于ADAMS和AMESim的裝載機聯(lián)合仿真［J］.礦山機械，2011，39(10):27 －32.

【5】李劍鋒，汪建兵，林建軍，等.機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真與集成優(yōu)化［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

【6】王劍鵬，秦四成，王雪蓮，等.50型輪式裝載機工作裝置液壓系統(tǒng)的實驗與仿真［J］.機床與液壓，2009，37(10):234－235.

【7】PARK Sung Hee，ALAM Khairul，JEONG Young Man，et al.Modeling and Simulation of Hydraulic System for a Wheel Loader Using AMESim［C］//ICROS～SICE International Joint Conference，2009:2991 －2996.

【8】楊占敏，王智明，張春秋.輪式裝載機［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005.

【9】司癸卯，張青蘭，段立立，等.基于AMESim的液壓破碎錘液壓系統(tǒng)建模與仿真［J］.中國工程機械學報，2010，8(2):179－183.

【10】楊樹川，楊術明.基于AMESim的平面篩運動仿真與分析［J］.煤礦機械，2010，31(8):219－220.

【11】王炎，胡軍科，楊波.負載敏感變量泵的動態(tài)特性分析與仿真研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2008(12):84－95.